HL-2A托卡马克超声分子束注入深度和加料效果研究

超声分子束注入深度与加料效率是分子束加料研究中的基本课题.在近期开展的超声分子束注入实验中，发现分子束注入深度与等离子体电子温度和密度、分子束源的气压和温度有直接关系，获得了分子束注入深度的定标律.在低温气体源(液氮冷却)的分子束注入实验中，发现分子束流中形成了团簇，其注入深度超过30 cm，分析了在低温气源分子束注入实验中的团簇现象. 关键词： 超声分子束注入 注入深度 加料效率 团簇     

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用中平面往复快速扫描6探针组观测HL-2A装置边缘等离子体的扰动特性。在一次放电中能测量到边缘等离子体参数的时空分布及其涨落量，雷诺胁强与极向流和带状流的关系，以及静电涨落驱动的粒子通量和热通量的径向变化。在多发弹丸注入(MPI)和多脉冲超声分子束注入(SMBI)条件下，研究了边缘参数的涨落和相关特性。实验结果表明：SMBI和MPI等注入手段改变了边缘的扰动特性；雷诺胁强的径向梯度可以驱动带状流，抑制湍流输运。     

HL-2A装置边缘扰动特性的研究

HL-2A装置边缘等离子体的扰动特性是通过中平面往复快速扫描气动6探针组来进行研究的。它在一次放电中能测量边缘等离子体参数的时空分布及其涨落量，以及静电涨落驱动的粒子通量和热通量在径向的变化。分析了在多发弹丸注入（MPI）、多脉冲超声分予束注入（SMBI）和电子回旋加热（ECRH）条件下的边界等离子体特性，研究边缘参数的涨落和相关特性。     

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在HL-2A 装置上优化和发展了偏滤器靶板上的红外测温系统,并利用该系统分析了高约束模放电期间边缘局域模的热沉积分布特性。在高约束模式放电期间,超声分子束注入使边缘局域模所引起的偏滤器靶板上瞬间热通量峰值下降了~60%,并伴随着边缘局域模爆发频率增加了2~3 倍,而等离子体储能仅下降了~8%。分析结果表明,大幅度的丝状结构在超声分子束注入之后得到了有效抑制,沉积到偏滤器靶板上的瞬间热通量峰值也随之下降。此外,在超声分子束注入之后偏滤器室内的热辐射损失大幅度增加,从而耗散了热输运所携带的部分能量,进一步分散了沉积到偏滤器靶板上的能量,有效地保护了偏滤器靶板。     

HL-2A 装置超声分子束注入缓解偏滤器靶板上边缘局域模热通量研究

在HL-2A 装置上优化和发展了偏滤器靶板上的红外测温系统,并利用该系统分析了高约束模放电期间边缘局域模的热沉积分布特性。在高约束模式放电期间,超声分子束注入使边缘局域模所引起的偏滤器靶板上瞬间热通量峰值下降了~60%,并伴随着边缘局域模爆发频率增加了2~3 倍,而等离子体储能仅下降了~8%。分析结果表明,大幅度的丝状结构在超声分子束注入之后得到了有效抑制,沉积到偏滤器靶板上的瞬间热通量峰值也随之下降。此外,在超声分子束注入之后偏滤器室内的热辐射损失大幅度增加,从而耗散了热输运所携带的部分能量,进一步分散了沉积到偏滤器靶板上的能量,有效地保护了偏滤器靶板。     

HL-2A装置上超声分子束注入触发L-H转换的实验研究

利用具有定向速度的超声分子束注入技术,研究了HL-2A装置在较低加热功率条件下实现L-H转换的等离子体放电特征,从边缘密度分布的差异比较分析了普通送气和超声分子束注入对L-H转换的影响.实验结果表明,HL-2A装置上采用超声分子束注入可直接触发L-H转换,明显降低L-H转换功率.通过对大量实验数据的分析和整理发现,利用超声分子束注入实现L-H转换的最低加热功率,比同等条件下采用普通送气实现L-H转换的最低加热功率减少约10％.     

基于深度学习的HL-2A装置ELM实时控制系统的研制

利用HL-2A装置已开发的基于深度学习的边缘局域模(ELM)识别算法和超声分子束注入(SMBI)等ELM缓解设备组成了一个ELM实时识别和控制系统。该系统实时采集相关的输入数据,通过神经网络计算分析,输出识别信号,当检测到存在连续ELM时,触发SMBI以缓解ELM。在HL-2A装置放电实验期间对ELM实时控制系统进行了测试,识别效果明显,在1ms控制周期中,达到了ELM的实时缓解与控制。     

中国环流器二号A(HL-2A)超声分子束注入最新结果

HL-2A装置电子回旋共振加热时,氘脉冲超声分子束穿越分界面,等离子体各项重要参数,包括等离子体储能、极向比压、中平面线平均密度、中心密度和温度上升,中子产额急剧增加. 超声分子束注入有可能较常规脉冲送气在台基顶部提供较强的粒子源,被认为是可供ITER替换脉冲送气的加料方法之一. HL-2A装置氢超声分子束注入的平均速度约为1.7km,与溢流(分子流)注入真空的速度测量作了比较. 关键词： 超声分子束注入 托卡马克 飞行时间法 加料     

HL—1M多脉冲分子束注入的CCD摄像

HL－1M装置实现了一种新的气体加料改善约束的方法－分子束注入（用多脉冲高速分子束注入加料）。多脉冲分子束注入加料可以控制等离子体密度分布、改善约束性能和提高密度极限。HL－1M托卡马克的多脉冲分子束注入得到了高的加料效率、改进了能量约束并维持了较高的密度峰化截面。分子束加料τE的改善和Qn 值的增加可与HL－１M装置的小弹丸注入和ASDEX的小弹丸注入结果相比拟。脉冲高速分子束是由高压氢分子气体通过拉瓦尔（Laval)喷口形成的。在实验中CCD相机可以用于研究分子束与离子体相互作用的许多复杂物理现象,用它拍摄分子束在等离子体中的辐射云照片是研究分子束辐射过程极其有效的手段。     

原子氢辅助分子束外延GaAs(331)A表面形貌演化

研究了GaAs高指数面(331)A在原子氢辅助下分子束外延形貌的演化.原子力显微镜测试表明：在常规分子束外延情况下,GaAs外延层台阶的厚度和台面的宽度随衬底温度的升高而增加,增加外延层厚度会导致台阶的密度和台面的宽度增加然后饱和.而在原子氢辅助分子束外延情况下,当GaAs淀积量相同时GaAs外延层台阶的密度增大宽度减小.认为这是由于原子氢的作用导致Ga原子迁移长度的减小.在GaAs(331)A台阶基底上生长出InAs自组织纳米线,用光荧光测试研究了其光学各项异性特征.     

Simulations of fast component and slow component of SMBI on HL-2A tokamak

It is very important to improve the penetration depth and fueling efficiency of supersonic molecular beam injection(SMBI) especially for the next generation fusion devices such as ITER. Two components, a fast component(FC) and a slow component(SC), have been observed in the HL-2A SMBI experiments for several years, and the FC can penetrate much more deeply than the common SMBIs which draws a great deal of attention for a better fueling method. It is the first time to the FC and SC of SMBI have been simulated and interpreted in theory and simulation in this paper with the trans-neut module of the BOUT++ code. The simulation results of the FC and SC are clear and distinguishable in the same way as the observation in experiment. For the major mechanism of the FC and SC, it is found that although the difference in the injection velocity has some effect on the penetration depth difference between the FC and SC, it is mainly caused by the self-blocking effect of the first ionized SMB. We also discuss the influence of the initial plasma density on the FC and SC,and the variation of the SC penetration depth with its injection velocity.     

Radial transport dynamics studies of SMBI with a newly developed TPSMBI code

In tokamak plasma fueling, supersonic molecule beam injection(SMBI) with a higher fueling efficiency and a deeper penetration depth than the traditional gas puffing method has been developed and widely applied to many tokamak devices.It is crucial to study the transport dynamics of SMBI to improve its fueling efficiency, especially in the high confinement regime. A new one-dimensional(1D) code of TPSMBI has also been developed recently based on a six-field SMBI model in cylindrical coordinate. It couples plasma density and heat radial transport equations together with neutral density transport equations for both molecules and atoms and momentum radial transport equations for molecules. The dominant particle collisional interactions between plasmas and neutrals, such as molecule dissociation, atom ionization and charge-exchange effects, are included in the model. The code is verified to be correct with analytical solutions and also benchmarked well with the trans-neut module of BOUT++ code. Time-dependent radial transport dynamics and mean profile evolution are studied during SMBI with the TPSMBI code in both slab and cylindrical coordinates. Along the SMBI path, plasma density increases due to particle fuelling, while plasma temperature decreases due to heat cooling. Being different from slab coordinate, the curvature effect leads to larger front densities of molecule and atom during SMBI in cylindrical coordinate simulation.     

Investigation of molecular penetration depth variation with SMBI fluxes

We study the molecular penetration depth variation with the SMBI fluxes.The molecular transport process and the penetration depth during SMBI with various injection velocities and densities are simulated and compared.It is found that the penetration depth of molecules strongly depends on the radial convective transport of SMBI and it increases with the increase of the injection velocity.The penetration depth does not vary much once the SMBI injection density is larger than a critical value due to the dramatic increase of the dissociation rate on the fueling path.An effective way to improve the SMBI penetration depth has been predicted,which is SMBI with a large radial injection velocity and a lower molecule injection density than the critical density.     

Simulations of the effects of density and temperature profile on SMBI penetration depth based on the HL-2A tokamak configuration

Using the trans-neut module of the BOUT++ code, we study how the fueling penetration depth of supersonic molecular beam injection(SMBI) is affected by plasma density and temperature profiles. The plasma densities and temperatures in L-mode are initialized to be a set of linear profiles with different core plasma densities and temperatures. The plasma profiles are relaxed to a set of steady states with different core plasma densities or temperatures. For a fixed gradient, the steady profiles are characterized by the core plasma density and temperature. The SMBI is investigated based on the final steady profiles with different core plasma densities or temperatures. The simulated results suggest that the SMB injection will be blocked by dense core plasma and high-temperature plasma. Once the core plasma density is set to be N_(i0)= 1.4N_0(N_0= 1 × 10~(19)m~(-3)) it produces a deeper penetration depth. When N_(i0) is increased from 1.4N_0 to 3.9N_0 at intervals of 0.8N_0, keeping a constant core temperature of T_(e0)= 725 eV at the radial position of ψ = 0.65, the penetration depth gradually decreases. Meanwhile, when the density is fixed at N_(i0)= 1.4N_0 and the core plasma temperature T_(e0) is set to 365 eV,the penetration depth increases. The penetration depth decreases as T_(e0) is increased from 365 eV to 2759 eV. Sufficiently large N_(i0) or T_(e0) causes most of the injected molecules to stay in the scrape-off-layer(SOL) region, lowering the fueling efficiency.     

强场和弱场侧超声分子束注入对加料的影响

报道了HL-2A装置最新的实验结果,讨论并研究了超声分子束的注入位置对分子束在等离子体中的消融和穿透的影响,其中包括电离后的分子束粒子在磁场梯度作用和 E × B 漂移下的加速或减速及由此形成的冷通道效应.研究结果表明,磁场梯度和 E × B 漂移对于超声分子束的加料效果、消融和穿透有着重要的作用.强场侧注入可使电离后的电子和离子更深地进入等离子体芯部.这些研究对于更好地理解超声分子束与等离子体的相互作用和优化设计加料系统有一定作用.     

基于超声分子束和普通充气的聚变等离子体密度反馈实验研究

本文介绍了全超导托卡马克装置EAST实验中等离子体密度反馈的方法和结果. EAST密度反馈采用普通充气 (gas puffing) 和超声分子束 (supersonic molecule beam injection, SMBI) 在放电过程中反馈进气, 获得稳定、预期的等离子体密度. 典型的一天放电实验中, 每次放电的充气量和壁滞留的变化可分为两个阶段: 第一阶段为初始约20次放电, 该阶段充气量非常高且呈指数趋势下降, 粒子滞留率为80%–90%, 壁滞留迅速上升. 第二阶段为随后的约50次放电, 该阶段充气量较小且保持稳定, 粒子滞留率为50%–70%, 壁滞留缓慢上升. SMBI的加料效率为15%–30%, 延迟时间小于5 ms. 因此使用SMBI 进行密度反馈效果优于gas puffing反馈, 相同条件下前者充气量较后者减少了～ 30%, 壁滞留减少了～ 40%, 再循环系数也相应减少. gas puffing反馈时, 采用脉宽调制模式效果优于脉幅调制模式. SMBI密度反馈可以作为未来EAST长脉冲高参数放电的主要手段之一. 关键词： 密度反馈 超声分子束 再循环 壁滞留     

HL-2A装置送气和加料的脱靶特性

HL-2A装置辐射偏滤器实验采用边缘补充送气和分子束加料等方法来提高主等离子体密度,降低边缘等离子体温度、增加辐射功率分额,获得脱靶等离子体。偏滤器室内进行主动补充送气或者注入惰性气体杂质,降低偏滤器等离子体温度,获得脱靶等离子体,并首次获得了超声分子束注入产生脱靶等离子体的实验结果。利用HL-2A装置偏滤器同一极向截面内外中性化板上安装的嵌入式探针阵列和偏滤器室安装的电动探针系统,测量了偏滤器靶板上和偏滤器室的等离子体参数及其分布,并进行了相关分析和改善约束以及偏滤器脱靶等离子体运行模式下等离子体行为的研究。     

补充加料过程中逃逸电子的雪崩现象

在靶丸注入和超声分子束注入等补充加料期间，虽然等离子体密度骤然增加，但用五通道碘化汞探测器阵列及碘化钠探测器在此期间均测到很强的X射线辐射，且射线峰爆发时间与靶丸注入及超声分子束注入时间对应得相当好，用二次电子发射形成雪崩型逃逸电子理论解释了实验测量结果。